Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

DDR 3 p.132-189

.pdf
Скачиваний:
8
Добавлен:
19.02.2016
Размер:
511.86 Кб
Скачать

7.2. Improper integrals: integrand unbounded

There is a second type of improper integral, in which the function is unbounded in the interval [a, b] If the function f(x) becomes arbitrarily large in the interval [a,b], then it is possible to have arbitrarily large approximating

n

sums f ( i ) xi no matter how fine the partition may be by choosing a 1

i 1

that makes f( 1) large.

Let f(x) be continuous at every number in [a, b] except a, and become

b

arbitrarily large for values in (a, b). If lim f (x)dx exists, the function f(x)

0 a

is said to have a convergent improper integral from a to b. The value of the

 

 

b

 

 

b

 

 

limit is denoted

 

f (x)dx . If lim

 

f (x)dx does not exist, the function f(x) is

 

 

 

0

 

 

 

 

a

 

 

a

 

 

said to have a divergent improper integral from a to b; in brief b

f (x)dx is

not defined.

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

In a similar manner, if f(x) is unbounded only near b (Fig. 2.3), define

b

 

b

 

 

 

 

 

f (x)dx as lim

 

 

f (x)dx .

 

 

 

0

 

 

 

 

 

a

 

 

a

 

 

 

 

It may happen that a function behaves well everywhere in the interval [a, b] except at the number c, distinct from a to b (Fig. 2.4), where it may be

у

у=f(x)

О

 

а

b-ε b х

 

Fig. 2.3

infinite. In that case b f (x)dx

a

у

у=f(x)

О а c-cε c+δ b х

Fig. 2.4

makes no sense. In such a case consider

162

c

f (x)dx

and b

f (x)dx . If both exist, then the integral

b

f (x)dx is said to be

a

 

c

 

 

 

 

a

 

convergent and have the value c

f (x)dx

+ b

f (x)dx . More generally, if a

 

 

 

a

 

c

 

 

 

function f(x) has an infinite range of values as well as a point where it becomes infinite, break the entire integral into the sum of the integrals each of which has only one of the two basic “troubles”, either an infinite range or an endpoint where the function is infinite. For instance, the improper integral

 

1

dx is troublesome for four reasons:

lim

1

,

lim

1

, and

x4

 

x 0 0

x4

 

x 0 0

x4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

the range extends infinitely to the left and also to the right. To treat the integral, write it as the sum of four improper integrals of the two basic types:

 

1

0

1

 

dxx4

dxx4 dxx4 dxx4 dxx4 .

 

 

1

0

1

All four of the integrals on the right have to be convergent for

be convergent. As a matter of fact, only the first and last are. So

dx to

x4

dx is

x4

divergent.

Just as substitution in a definite integral is valid as long as the same substitution is applied to the limits of integration, substitution in improper integrals is also permissible.

T 7. Typical problems

In exercises 1 and 2 determine whether the improper integrals are convergent or divergent. Evaluate the convergent ones.

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. By definition

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

A

dx

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

lim arctg x

 

 

 

 

 

1 x

2

1 x

2

 

 

 

1

 

 

A

1

 

 

A

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

163

 

 

 

 

 

lim (arctg A arctg1)

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

4

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Therefore,

 

 

converges to

 

 

 

and the area in question is

 

.

1 x2

 

4

 

4

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution.

dx

lim

 

dx lim ln

 

x

 

 

 

lim ln

 

 

A

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 x

A

1

 

x

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

A ¥

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Therefore, the given integral is divergent.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Examine the improper integral

 

 

for all

 

p .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. By example 2 if

 

 

 

1

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p 1 the integral is divergent. If

p 1 , then

 

dx

 

A dx

 

 

 

 

x p 1

 

A

 

 

 

A p 1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

x

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

p 1

 

 

 

1 x

 

 

A 1

 

 

 

 

 

A p 1

 

 

A p 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

,

if

p 1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

p 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

if

p 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

In exercises 4–5 determine whether the improper integrals are convergent or divergent. Evaluate the convergent ones.

 

 

dx

 

4.

 

 

.

 

2

6x 10

x

 

 

Solution. The substitution x – 3 = t transforms the integral to

dt

t2 1 .

By definition

 

dt

 

a

dt

 

 

dt

 

 

 

a

dt

 

 

B

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

lim

 

 

 

,

 

2

 

2

 

2

 

2

 

2

t

1

t

1

a t

1

 

A A t

1

B a t

1

 

where a is any number. Thus:

164

a

lim ò

A A

Next consider

Hence

dt

 

= lim

arctg t

 

a = arctg a - lim arctg A =

 

t2 +1

 

 

A

 

 

A

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

arctg a + p ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

B

 

dt

 

 

 

 

B

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

 

= lim arctg t

 

=

 

-arctg a .

 

2

 

 

a

2

B a t

 

1

 

B ¥

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, namely

 

 

 

 

 

 

 

is convergent and equals .

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

t

 

1

 

 

 

 

 

 

 

x

 

6x 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

 

ln x

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution.

ln x

dx

lim

A

ln xd (ln x)

lim

ln

2 x

 

 

A

¥ .

 

 

 

x

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Therefore, the given integral is divergent.

 

 

 

 

 

 

In Exercises 6 to 8 examine the improper integral.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.

cos3 x dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. The integrand

cos x

is the alternative function if x 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

As is

generally

known

 

cos x

 

1,

then

 

cos x

 

 

1

. By Exercise 3 the

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

x3

 

 

dx3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

integral

is convergent ( p 3 1 ), so is the given integral.

 

1

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.

ln(1 x2 ) 2 ln x dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Write the integral in the form

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

x 2

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln

 

 

2

 

 

 

dx ln 1

 

 

 

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

165

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

By Exercise 3 the integral

 

is convergent ( p 2 1). Recall also

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

that lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 , so is the given integral.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

2x

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. At x = 1 the integrand is undefined, and near x = 1 it is

unbounded. It is necessary to examine the improper integral

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

dx

 

 

 

 

2

 

 

 

d(x 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

 

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

2x

3

 

 

x

2

2x 3

 

 

 

(x 1)

2

4

 

 

 

 

1

 

 

 

0

1

 

 

 

0

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

1

ln

 

x 1

 

2

 

 

1

lim(ln

1

-ln

 

 

e

 

) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

4

 

 

 

 

1

 

4 e0

5

 

 

4

+e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Therefore, the given integral is divergent.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. Examine the improper integral

for all .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. At x = 0 the integrand is undefined, and near x = 0 it is unbounded. It is necessary to examine the two improper integrals. If 1 , then

1

dx

 

 

 

 

1

dx

 

 

 

x1

 

1

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

lim

 

 

 

 

= lim

 

 

 

 

 

 

x

 

0

x

 

0

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

lim

 

 

 

 

 

 

, if 1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

o

 

1

 

 

1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, if

 

 

 

Next consider for 1

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

dx

 

 

 

 

 

lim

 

lim ln

 

x

 

 

.

 

 

0

x

0

 

x

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

166

 

1

dx

 

Conclusion. The second type of improper integral

is convergent if

 

 

0

x

1 and is divergent if

1 .

 

 

T 7. Exercises for class and homework

Determine whether the improper integrals are convergent or divergent. Evaluate the convergent ones.

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

2.

 

 

.

 

3.

 

e 3x dx .

 

4.

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

5

x 2

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xdx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

 

 

 

 

 

 

 

.

6.

 

 

 

 

 

. 7.

 

xe x2 dx .

8.

 

 

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

(1 x)x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x 10

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x dx .

 

 

1

 

 

 

dx

 

 

2

 

 

 

dx

 

2

xdx

 

 

 

arctg2

 

9.

 

 

 

.

 

10.

 

 

 

.

11.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

4x 3

 

1

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

1 x 2

 

 

0 x

 

 

1

x

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12. e

 

 

 

dx

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

x ln

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Determine whether the improper integrals are convergent or divergent

 

 

 

 

 

 

 

 

xdx

 

 

 

 

 

 

x

3 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13.

 

 

.

 

14.

 

 

dx .

 

 

15. ln(1 x 2 )dx .

16.

 

 

 

1

3

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x ln ln x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

xdx

 

 

 

1

 

 

 

dx

 

 

 

 

1

 

dx

 

 

 

 

 

 

17.

 

 

 

.

18.

 

 

.

 

 

19.

 

.

 

20.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

1 x 4

 

 

0

 

e

x

1

 

0

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

x

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

167

Answers

1. 15 . 2. Diverges. 3. 13 . 4. Diverges. 5. 3 . 6. 1 ln 2 . 7. 12 . 8. 4 12 ln 2 .

9. 2 . 10. Diverges. 11. 83 . 12. 1. 13. Converges. 14. Diverges. 15. Diverges. 16. Diverges.

17. Converges. 18. Converges. 19. Diverges. 20. Converges.

T 7. Individual test problems

7.1. Determine whether the improper integrals are convergent or divergent. Evaluate the convergent ones.

 

 

 

 

xdx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16xdx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3dx

 

 

 

 

 

 

7.1.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

7.1.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.1.3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 16x

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 16x

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

16x4 1

 

 

 

 

 

 

xdx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

xdx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 dx

 

 

 

 

 

 

 

7.1.4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

7.1.5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

7.1.6.

 

 

 

 

 

 

 

 

.

1

 

 

 

16x4 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x2 4)3

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

3 (x3 8)4

 

 

 

 

 

 

 

 

xdx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xdx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

7.1.7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

7.1.8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

7.1.9.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x

 

2

4x 5)

 

0 4 (x2 16)5

 

 

 

4

 

 

 

 

x2 4x 1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xdx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16dx

 

 

 

 

 

 

 

 

arctg 2xdx

 

 

7.1.10.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

7.1.11.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. 7.1.12.

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

.

x

2

 

4x 5

 

 

(4x

2

 

4x 5)

 

 

(4x

 

1)

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1/ 2

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xdx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x 2)dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

7.1.13.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

7.1.14.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

7.1.15.

 

 

 

 

 

 

 

 

dx .

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

0 4x

 

 

 

4x

5

 

 

 

 

0 3 (x2 4x 1)4

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

arctg x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.1.16.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

7.1.17.

 

 

 

 

 

dx .

 

7.1.18. x sin xdx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x(1 ln

2

x)

 

 

 

 

4x

2

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1

 

 

 

7dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

7.1.19. ò

 

 

 

 

 

.

 

 

 

7.1.20.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. 7.1.21.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

x

2

 

 

 

(9x

2

1) arctg

2

3x

 

x

2

(x 1)

 

 

 

-4x

 

 

 

 

 

 

 

1/ 3

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3x

 

 

 

 

 

 

7.1.22.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx . 7.1.23.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.7.1.24. xe

 

 

 

dx .

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

1

 

 

1

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

(6x

 

 

5x 1)

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¥

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.1.25. ò

 

 

 

 

.

 

 

7.1.26.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

7.1. 27.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

x

2

 

 

 

2x

2

2x 1

 

 

 

 

x

2

3x

2

 

 

1

 

 

 

 

 

+2x

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

168

 

dx

 

 

 

 

dx

 

 

 

dx

 

 

7.1.28.

 

.7.1.29.

 

 

.7.1.30.

 

 

 

.

x(ln x 1)

2

9x

2

9x 2

 

2

 

 

x

 

e2

 

1

 

2

(x

4)

arctg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

7.2. Determine whether the improper integrals are convergent or divergent. Evaluate the convergent ones.

1/ 3 e3 1/ x

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.2.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx .

 

7.2.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

7.2.3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

x

2 6x 9

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

2

4x

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.2.4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

7.2.5. ln(3x 1) dx .

 

7.2.6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1/ 4 20x

 

9x 1

 

1/ 3 3x 1

 

 

 

 

 

 

1 3 (3 x)5

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln 2

 

 

 

 

 

 

 

 

2 / 3

 

 

3

ln(2 3x)

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

xdx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.2.7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx .

7.2.8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

. 7.2.9.

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 3x

 

 

 

x

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1/ 2

 

 

(1 x) ln

 

(1 x)

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/ 6

 

 

 

 

cos 3xdx

 

1

 

 

 

2xdx

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

7.2.10.

 

 

 

 

.

7.2.11.

 

.

 

 

 

7.2.12.

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

0

 

 

 

6 (1 sin 3x)5

 

0

 

 

 

1 x4

 

 

 

 

 

1/ 3

 

1 3x

 

 

 

 

 

 

1

2e

1

2

arcsin x

 

/ 2

 

 

e tg x

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.2.13.

 

 

 

 

 

 

 

dx .

7.2.14.

 

 

dx .

7.2.15.

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos 2x

5

3 4x

 

0

 

 

 

 

1 x2

 

0

 

 

 

 

 

3 / 4

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin xdx

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

dx

 

 

7.2.16.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

7.2.17.

 

.

 

 

7.2.18.

 

 

 

 

.

 

 

5 4x x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

4

 

/ 2

7 cos2

x

 

 

 

 

 

3 / 4

 

4x 3

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xdx

 

 

 

 

 

 

 

1/ 3

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

3 9xdx

 

 

 

 

 

 

 

 

7.2.19.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

7.2.20.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. 7.2.21.

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9x

2

9x 2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

(x2 1)3 ln 2

 

0

 

 

 

 

 

 

0 3 9 x2

 

 

 

 

 

 

/ 2

3sin 3 xdx .

 

1

 

 

 

x4 dx

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

x2 dx

 

 

 

 

 

 

 

7.2.22.

 

 

 

 

7.2.23.

 

.

 

 

 

 

7.2.24.

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

cos x

 

0 3 1 x5

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

64 x6

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

x2 dx

 

 

 

 

 

 

1/ 4

 

 

dx

 

 

 

 

7.2.25.

 

 

 

 

 

.

 

 

7.2.26.

 

 

 

 

 

 

.

7.2.27.

 

 

 

 

 

 

.

 

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

1/ 2

 

 

1

2x

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

31(x3 1`)

 

 

0

 

 

1 4x

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

10xdx

 

 

 

 

 

 

 

3 / 2

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

1/ 2

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.2.28.

 

 

 

 

 

 

 

.

 

7.2.29.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. 7.2.30.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2x

1)

2

 

0

 

 

4 (16 x2 `)3

 

1

 

 

 

 

 

3x x2

2

 

 

0

 

 

 

 

 

 

169

Topic 8. Application of the definite integral

Finding the area of a region. How to find the arc length. Computing volume by parallel cross sections. Computing the volume of a solid of revolution. The centroid of a plane region. Work.

Literature: [1, section 9], [2, section 2, ch. 2.2], [4, section 7, §24], [6, section 10], [7, section 12], [9, §41].

T8. Main concepts

8.1. Computing areas

8.1.1. Area in rectangular coordinates

Consider the area of the region bounded by y f (x) ( f (x) 0 ) and the x-

axis from x = a to x = b, as shown in Fig.2.5. The area S of the entire region is found by

b

S f (x)dx.

a

However, if a function changes the sign finitely in [a; b] (Fig. 2.6) the area is found according to the following formula

b

S f (x)dx .

a

 

y

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

y=f(x)

 

 

 

 

y=f(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О

 

 

 

 

 

О

a

c

d

 

b

a

 

b x

 

 

 

Fig. 2.5

 

 

Fig. 2.6

 

Let f1 and f2 be two continuous functions such that

f1 (x) f 2 (x) for all

x in the interval [a, b]. Let S be the region between the curve y f1 (x) and the curve y f 2 (x) for x in [a, b], as shown in Fig. 2.7. The area of S is then given by

170

b

S [ f2 (x) f1(x)]dx

a

It should be obvious to you that knowing the points of intersection is important in determining the limits of integration. For instance, the sketch of the region appears in Fig. 2.8. To find where the curves intersect, we solve the

system of equations y f1 (x)

= x1 and b = x2.

y y=f2(x)

S

y=f1(x)

Оa

Fig. 2.7

and y f 2 (x) . In this case, if x1

x2, then a

y y=f2(x)

S

y=f1(x)

b x

О a

b x

Fig. 2.8

Sometimes area can more easily be determined by summing areas of horizontal elements rather than vertical elements.

Let S be the region between the curve x g1 ( y) and the curve x g 2 ( y) for y in [c, d], as shown in Fig. 2.9 and 2.10. The area of S is then given by

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

S [g2 ( y) g1 ( y)]dy.

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

y

 

 

 

y

 

d

 

 

 

 

d

x=g2(x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c x=g1(x

S

 

x=g2(x

x=g1(x

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

x

 

 

 

 

О

 

 

x

О

Fig. 2.9

Fig. 2.10

8.1.2. Area, if an outline is given parametrically

The path of some particle is

given parametrically by the

equations x x(t) , y y(t) 0 , t [ ; ] . The area of S is then given by

Sy(t)dx(t) y(t)x (t)dt,

171

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]